了解光电二极管操作的光伏和光电导模式

光电流
 

光电二极管的基本输出是从阴极流过器件到阳极的电流，与照度大致成线性比例。（不过请记住，光电流的大小也受入射光波长的影响——在下一篇文章中将对此进行更多介绍。）光电流通过串联电阻或电流转换为电压以进行进一步的信号处理- 电压放大器。

光电二极管的光电流关系的细节将根据二极管的偏置条件而变化。这是光伏模式和光电导模式之间区别的本质：在光伏实施中，光电二极管周围的电路使阳极和阴极保持相同的电位；换句话说，二极管是零偏置的。在光电导实施中，光电二极管周围的电路施加反向偏压，这意味着阴极的电势高于阳极。

暗电流

影响光电二极管系统的主要非理想情况称为暗电流，因为即使没有照明，电流也会流过光电二极管。流过二极管的总电流是暗电流和光电流的总和。如果这些强度产生的光电流大小与暗电流的大小相似，则暗电流将限制系统准确测量低光强度的能力。

可以通过从二极管电流中减去预期暗电流的技术来减轻暗电流的有害影响。然而，暗电流伴随着暗噪声，即作为暗电流幅度的随机变化观察到的散粒噪声的一种形式。系统无法测量其相关光电流小到在暗噪声中丢失的光强度。

光电二极管电路中的光伏模式

下图是光伏实施的示例。

这种运算放大器电路称为跨阻放大器 (TIA)。它专门用于将电流信号转换为电压信号，电流电压比由反馈电阻RF的值决定。运算放大器的同相输入端接地，如果我们应用虚拟短路假设，我们知道反相输入端将始终处于大约 0 V。因此，光电二极管的阴极和阳极都保持在 0 V。

我不相信“光伏”是这种基于运算放大器的实现的完全准确的名称。我不认为光电二极管的功能类似于通过光伏效应产生电压的太阳能电池。但是“光伏”是公认的术语，不管我喜不喜欢。“零偏置模式”更好，我认为，因为我们可以在光伏或光电导模式下使用相同的 TIA 和光电二极管，因此没有反向偏置电压是显着的区别因素。

何时使用光伏模式

光伏模式的优点是暗电流的减少。在普通二极管中，施加反向偏置电压会增加反向电流，因为反向偏置会降低扩散电流但不会降低漂移电流，而且还会因为泄漏。

同样的事情发生在光电二极管中，但反向电流称为暗电流。更高的反向偏置电压会导致更多的暗电流，因此通过使用运算放大器将光电二极管保持在大约零偏置，我们实际上消除了暗电流。因此，光伏模式适用于需要化低照度性能的应用。

光电二极管电路中的光电导模式

要将上述检测器电路切换到光电导模式，我们将光电二极管的阳极连接到负电压电源而不是接地。阴极仍为 0 V，但阳极电压低于 0 V；因此，光电二极管是反向偏置的。

何时使用光电导模式

向 pn 结施加反向偏置电压会导致耗尽区变宽。这在光电二极管应用的背景下有两个有益的影响。首先，如上一篇文章所述，较宽的耗尽区会使光电二极管更敏感。因此，当您想要产生与照度相关的更多输出信号时，光电导模式是一个不错的选择。

其次，较宽的耗尽区会降低光电二极管的结电容。在上面所示的电路中，反馈电阻和结电容（以及其他电容源）的存在限制了系统的闭环带宽。与基本的 RC 低通滤波器一样，减小电容会增加截止频率。因此，光电导模式允许更宽的带宽，并且当您需要化检测器响应照度快速变化的能力时更可取。

反向偏压还扩展了光电二极管的线性工作范围。如果您担心在高照度下保持测量，您可以使用光电导模式，然后根据您的系统要求选择反向偏置电压。但请记住，更多的反向偏压也会增加暗电流。

Hamamatsu 是的光电探测器制造商。该图摘自他们的硅光电二极管手册，让您了解通过增加反向偏置电压可以将光电二极管的线性响应区域扩展多少。

审核编辑 黄宇